拜耳法的原理和基本流程.ppt

回顾：回顾：氧化铝的主要生产方法：碱法、酸法、氧化铝的主要生产方法：碱法、酸法、热法热法 碱处理碱处理 分解分解 煅烧煅烧 铝土矿铝土矿 铝酸钠溶液铝酸钠溶液 Al(OH)3 Al2O3 第三章第三章 拜耳法生产氧化铝拜耳法生产氧化铝 3.1 拜耳法原理和基本流程拜耳法原理和基本流程 3.1.1拜耳法的基本原理和实质拜耳法的基本原理和实质 拜耳法是澳大利亚化学家拜耳拜耳法是澳大利亚化学家拜耳（Karl Josef Bayer）在在18891892年间所发明的年间所发明的。拜耳法用在处理拜耳法用在处理低硅铝土低硅铝土矿矿，特别是处理三水铝石型铝土矿时特别是处理三水铝石型铝土矿时，流程简单流程简单、产产品质量好品质量好，因而得到广泛的应用因而得到广泛的应用。1 拜耳法的基本原理拜耳法的基本原理 （1）用）用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在添加晶种，不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝便呈添加晶种，不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝便呈氢氧化铝析出。氢氧化铝析出。（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。溶出新的一批铝土矿。交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行：不同的方向交替进行：Al2O3(1或或3)H2O+2NaOH(aq)=2NaAl(OH)4(aq)溶出溶出 140 分解分解 70 首先是在高温下在压煮器中以首先是在高温下在压煮器中以NaOH溶液溶出溶液溶出铝土矿铝土矿，将其中氧化铝水合物溶浸出来；使反将其中氧化铝水合物溶浸出来；使反应向右进行应向右进行，得到铝酸钠溶液得到铝酸钠溶液，杂质则进入残杂质则进入残渣中渣中。往彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液中添加往彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液中添加晶种晶种，在不断搅拌的条件下进行晶种分解在不断搅拌的条件下进行晶种分解，使使反应向左进行析出氢氧化铝反应向左进行析出氢氧化铝。分解后的母液分解后的母液（循环母液循环母液）再返回用以溶出下一批矿石再返回用以溶出下一批矿石。氢氢氧化铝经煅烧后便得到产品氧化铝氧化铝经煅烧后便得到产品氧化铝。拜耳法生产氧化铝的工艺有许多个工序组成，拜耳法生产氧化铝的工艺有许多个工序组成，其中主要有：铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、其中主要有：铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、晶种分解和分解母液蒸发等四个工序。晶种分解和分解母液蒸发等四个工序。铝土矿的溶出铝土矿的溶出 溶出浆液的稀释溶出浆液的稀释 分解母液蒸发分解母液蒸发 晶种分解晶种分解 铝酸钠溶液的温度、铝酸钠溶液的温度、浓度、苛性比值等浓度、苛性比值等 各不相同各不相同 2 Na2O-Al2O3-H2O系中的拜耳法循环图系中的拜耳法循环图 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Na2O%(质量质量)403530252015105 Al2O3,%(质量质量)至至Al2O3 3H2O点点 至至Al2O3 H2O点点 200 60 30 k=1.65 k=3.40 A B D C B D 溶解度等温曲线溶解度等温曲线 1.溶解度等温曲线包括两个段，交点是该温度下最大点。2.在所有温度下，氧化铝的溶解度都是随碱浓度增加而增大，当超过某一值，随着碱浓度增大而降低。3、过饱和度越大，溶液的稳定性越低。4、当溶液冷却或稀释时，溶液都是处于饱和状态。从以上的分析可见，在拜耳法生产氧化铝的过从以上的分析可见，在拜耳法生产氧化铝的过程中，最重要的是在不同的工序控制一定的溶程中，最重要的是在不同的工序控制一定的溶液组成和温度，使溶液具有适当的稳定性。液组成和温度，使溶液具有适当的稳定性。两种表示方法：两种表示方法：A、采用物质的摩尔比采用物质的摩尔比n(Nan(Na2 2O)/n(AlO)/n(Al2 2O O3 3),),其中的其中的NaNa2 2O O是按苛性碱是按苛性碱N NaOHaOH浓度计算，叫苛性比，符号浓度计算，叫苛性比，符号 K K 。中国与俄罗斯中国与俄罗斯 B、采用物质的质量比采用物质的质量比m(Na2O)/m(Al2O3),m(Na2O)/m(Al2O3),符号为符号为A/CA/C，其中的其中的NaNa2O2O按当量按当量Na2CO3Na2CO3计算。计算。美国美国 铝土矿的配入量铝土矿的配入量 K K 1.51.5-1.71.7按所溶出溶液苛性计算按所溶出溶液苛性计算,循环性碱液的循环性碱液的 K K 3.13.1-3.43.4 铝土矿的溶出率计算公式铝土矿的溶出率计算公式 铝土矿中的含硅矿物在苛性碱溶液中有不铝土矿中的含硅矿物在苛性碱溶液中有不同的溶解度，其中卵白石（同的溶解度，其中卵白石（SiOSiO2 2 H H2 2O)O)化学活性化学活性最大，最易溶解，在最大，最易溶解，在100100以下，生成硅酸钠：以下，生成硅酸钠：SiOSiO2 2+2NaOH=Na+2NaOH=Na2 2SiOSiO3 3 +H+H2 2O O 此硅酸钠与铝酸钠溶液起反应生成含水铝硅此硅酸钠与铝酸钠溶液起反应生成含水铝硅酸钠酸钠沉淀沉淀。在高压溶出的条件下，进入赤泥中的含水铝在高压溶出的条件下，进入赤泥中的含水铝硅酸钠的组成大致相当于硅酸钠的组成大致相当于NaNa2 2O*AlO*Al2 2O O3 3*1.7SiO*1.7SiO2 2*nHnH2 2O O（n n可以大于可以大于2 2）。从式可知，每）。从式可知，每1 1kgkg的的SiOSiO2 2要结合要结合1 1kgkg的的AlAl2 2O O3 3和和0.60.6kgkg的的NaNa2 2O O。铝土矿中氧化铝的理论溶出率：铝土矿中氧化铝的理论溶出率：n=w(Aln=w(Al2 2O O3 3)w(SiOw(SiO2 2)/w(Al)/w(Al2 2O O3 3)100%100%=A/SA/S 1/1/A/SA/S 100%100%=1=1-1/(1/(A/S)A/S)100%100%式中式中A/SA/S为铝土矿的铝硅比（质量比）为铝土矿的铝硅比（质量比）A/SA/S越高，矿石越容易溶解，理论溶出率越高。越高，矿石越容易溶解，理论溶出率越高。3.1.23.1.2拜耳法的基本流程拜耳法的基本流程 步骤：步骤：溶出：得到铝酸钠溶液，使氧化铝与杂质分离溶出：得到铝酸钠溶液，使氧化铝与杂质分离 稀释：降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解，便于赤稀释：降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解，便于赤泥分离泥分离 分解：使铝酸钠溶液中的氧化铝以氢氧化铝的形式析出分解：使铝酸钠溶液中的氧化铝以氢氧化铝的形式析出 蒸发：排出多余的水分，保持水量平衡，使蒸发母液达蒸发：排出多余的水分，保持水量平衡，使蒸发母液达到浓度要求到浓度要求 煅烧：除去氢氧化铝的附着水和结晶水，并得到吸湿性煅烧：除去氢氧化铝的附着水和结晶水，并得到吸湿性较差的氧化铝以满足电解需求。较差的氧化铝以满足电解需求。3.1.2拜耳法的基本流程拜耳法的基本流程 破碎破碎 铝土矿铝土矿 湿磨湿磨 溶出溶出 稀释稀释 沉降分离沉降分离 叶滤叶滤 溶出矿浆溶出矿浆 精液精液 粗液粗液 稠浓赤泥浆稠浓赤泥浆 稀释浆液稀释浆液 赤泥洗涤赤泥洗涤 洗液洗液 赤泥赤泥 堆场堆场 热水热水 石灰石灰 补充补充 苛性碱苛性碱 晶种分解晶种分解 晶种晶种 氢氧化铝浆液氢氧化铝浆液 氢氧化铝氢氧化铝 沉降分离沉降分离 洗涤洗涤 氢氧化铝氢氧化铝 煅烧煅烧 氧化铝氧化铝 母液母液 洗液洗液 蒸发蒸发 蒸发母液蒸发母液 石灰乳石灰乳 分离分离 Na2CO3 H2O结晶结晶 溶解溶解 苛化苛化 从矿山运来的铝土矿经破碎后从矿山运来的铝土矿经破碎后，与石灰和种分蒸发母液与石灰和种分蒸发母液（循环母液循环母液）磨制成原矿浆磨制成原矿浆，然后在高温下将矿石中的然后在高温下将矿石中的Al2O3溶出溶出，得到铝酸钠溶液和不溶残渣得到铝酸钠溶液和不溶残渣（赤泥赤泥）组成的组成的溶出料浆溶出料浆。料浆用赤泥洗液进行稀释料浆用赤泥洗液进行稀释，再在沉降槽中将铝再在沉降槽中将铝酸钠溶液和赤泥分离酸钠溶液和赤泥分离，赤泥经洗涤后排往赤泥堆场赤泥经洗涤后排往赤泥堆场。净化净化后的铝酸钠溶液加入氢氧化铝种子进行分解后的铝酸钠溶液加入氢氧化铝种子进行分解，析出氢氧化析出氢氧化铝铝。氢氧化铝与母液分离后氢氧化铝与母液分离后，洗净煅烧即得成品氧化铝洗净煅烧即得成品氧化铝。母液和洗液通过蒸发浓缩母液和洗液通过蒸发浓缩。在蒸发时有一定数量的在蒸发时有一定数量的Na2CO3 H2O从母液结晶析出从母液结晶析出。将其分离出来用将其分离出来用Ca(OH)2苛化成苛化成NaOH溶液与蒸发母液一同送往湿磨配料溶液与蒸发母液一同送往湿磨配料。3.2 铝土矿溶出过程的化学反应铝土矿溶出过程的化学反应 3.2.1 氧化铝水合物在溶出过程中的行为、氧化铝水合物在溶出过程中的行为、溶剂：循环母液中的主要成分有：溶剂：循环母液中的主要成分有：NaOH、NaAlO2、Na2CO3、Na2SO4等。等。Al2O3(1或或3)H2O+2NaOH(aq)=2NaAlO2(aq)溶出的目的溶出的目的 在于将其矿石中的氧化铝充分溶解成为铝酸钠溶液在于将其矿石中的氧化铝充分溶解成为铝酸钠溶液而与其它杂质分离。而与其它杂质分离。溶出条件与方式：由于氧化铝在铝土矿中的存在形溶出条件与方式：由于氧化铝在铝土矿中的存在形态不同所以要求的溶出条件也不相同。态不同所以要求的溶出条件也不相同。溶出方式通常是在加压的情况下进行的，所以称为溶出方式通常是在加压的情况下进行的，所以称为“高压溶出“高压溶出”。不同状态的氧化铝水合物的溶出顺序不同状态的氧化铝水合物的溶出顺序:三水铝石最易溶解、一水软铝石次之、一水硬铝石三水铝石最易溶解、一水软铝石次之、一水硬铝石难溶，而刚玉在难溶，而刚玉在300度以下实际是不溶的进入赤泥。度以下实际是不溶的进入赤泥。三水铝石型溶出反应式三水铝石型溶出反应式 也有写成下式的也有写成下式的 三水铝石典型的主要溶出条件：三水铝石典型的主要溶出条件：溶出温度溶出温度 140145 溶出压力溶出压力 4kg/cm2 溶出碱浓度溶出碱浓度 120140g/L 溶出后液苛性比（溶出后液苛性比（）1.501.65 4C10032NaAl(OH)2NaOHAl(OH)OH2NaAlO NaOHAl(OH)22C1003aq2NaAlO aq2NaOHOH3OAl2C100232 一水软铝石的主要溶出条件：一水软铝石的主要溶出条件：对于一水铝石和一水硬铝石型铝土矿：对于一水铝石和一水硬铝石型铝土矿：其溶出条件主要取决于一水硬铝石的含量，当以一水硬铝石其溶出条件主要取决于一水硬铝石的含量，当以一水硬铝石形态存在的三氧化二铝含量在形态存在的三氧化二铝含量在5%5%以上时，实际上上必须采取适以上时，实际上上必须采取适宜于一水硬石溶出的条件，这样才能保证得到满意的三氧化二宜于一水硬石溶出的条件，这样才能保证得到满意的三氧化二铝溶出率。铝溶出率。4C20022NaAl(OH)OHNaOHAlOOH溶出温度溶出温度 200240 溶出压力溶出压力 1234kg/cm2 溶出碱浓度溶出碱浓度 140240g/L 溶出后液苛性比（溶出后液苛性比（）1.51.75 一水铝石溶出反应方程式：一水铝石溶出反应方程式：一水硬铝石的主要溶出反应方程式：一水硬铝石的主要溶出反应方程式：反应式中的石灰的加入量，一般为铝土矿石总重量的反应式中的石灰的加入量，一般为铝土矿石总重量的37%。含水铝酸钙：含水铝酸钙：3CaO Al2O3 6H2O 水合铝硅酸钙（水化石榴石）：水合铝硅酸钙（水化石榴石）：3CaO Al2O3 3SiO2 钛酸钙：钛酸钙：CaO TiO2 24C2402)(CaNaAl(OH)O